การอบชุบด้วยความร้อนแบบคาร์บูไรซิ่งสำหรับเฟือง: เพิ่มความแข็งแรง ความทนทาน และประสิทธิภาพ

ในระบบส่งกำลังสมัยใหม่ เฟืองต้องทำงานภายใต้สภาวะที่รุนแรง เช่น แรงบิดสูง การหมุนอย่างต่อเนื่อง โหลดหนัก ความเร็วผันผวน และรอบการทำงานที่ยาวนาน เหล็กอัลลอยแบบดั้งเดิม แม้จะมีค่าความแข็งภายในที่ดี ก็มักจะไม่สามารถทนต่อการใช้งานที่ต้องการประสิทธิภาพสูงเช่นนี้ได้โดยไม่เกิดความเสียหายที่ผิว การสึกหรอ รอยขีดข่วน และรอยแตกร้าวจากความล้า เพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ การอบชุบความร้อนจึงกลายเป็นขั้นตอนสำคัญในการผลิตเฟือง และในบรรดาวิธีการทั้งหมด...การคาร์บอนไนซ์โดดเด่นในฐานะหนึ่งในกระบวนการเพิ่มความแข็งผิวที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด

การคาร์บูไรซิ่ง (หรือเรียกว่าการชุบแข็งผิว) เป็นเทคนิคทางโลหะวิทยาที่นำคาร์บอนเข้าสู่ชั้นผิวของเฟืองเหล็กที่อุณหภูมิสูง หลังจากชุบเย็นแล้ว ผิวจะเปลี่ยนเป็นชั้นมาร์เทนไซต์ที่แข็ง ในขณะที่แกนกลางยังคงความเหนียวและทนต่อแรงกระแทก การผสมผสานนี้ทำให้ได้ผิวที่แข็งด้านนอกและเหนียวด้านใน ด้วยเหตุนี้ เฟืองที่ผ่านกระบวนการคาร์บูไรซ์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบส่งกำลังของรถยนต์ เกียร์อุตสาหกรรม เครื่องจักรหนัก อุปกรณ์เหมืองแร่ ระบบขับเคลื่อนในอวกาศ และหุ่นยนต์

กระบวนการคาร์บูไรซิ่งคืออะไร?

การคาร์บูไรซิ่งเป็นกระบวนการอบชุบความร้อนแบบอาศัยการแพร่กระจายของอะตอมคาร์บอน โดยทั่วไปจะทำที่อุณหภูมิระหว่าง 880°C – 950°C ในระหว่างกระบวนการนี้ เฟืองจะถูกให้ความร้อนในบรรยากาศที่มีคาร์บอนสูง อะตอมคาร์บอนจะแพร่กระจายเข้าไปในชั้นผิวของเหล็ก ทำให้ปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น หลังจากแช่ในระยะเวลาที่กำหนดแล้ว เฟืองจะถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วเพื่อสร้างชั้นผิวแข็งแบบมาร์เทนไซต์

ความลึกของการแทรกซึมของคาร์บอนเรียกว่าความลึกของชั้นผิวแข็ง และสามารถควบคุมได้โดยการปรับอุณหภูมิ เวลาในการคงสภาพ และศักยภาพของคาร์บอน โดยทั่วไป ความลึกของชั้นผิวแข็งที่ต้องการจะอยู่ในช่วง 0.8 มม. ถึง 2.5 มม. ขึ้นอยู่กับการใช้งาน ขนาดของเฟือง และความสามารถในการรับน้ำหนักที่ต้องการ

เหตุใดเฟืองจึงต้องผ่านกระบวนการคาร์บูไรซิ่ง?

การอบชุบด้วยคาร์บอนไม่ได้มีไว้เพื่อเพิ่มความแข็งเพียงอย่างเดียว แต่ยังช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพในการใช้งานจริงได้อย่างมาก ประโยชน์หลักๆ ได้แก่:

1. ทนทานต่อการสึกหรอสูง
   พื้นผิวที่แข็งตัวช่วยป้องกันการสึกหรอจากการเสียดสี การเกิดหลุม การหลุดร่อนขนาดเล็ก และความเสียหายจากความล้าของพื้นผิว

2. ความสามารถในการรับน้ำหนักที่สูงขึ้น
   เฟืองที่ผ่านกระบวนการคาร์บูไรซ์สามารถรับน้ำหนักได้มากขึ้นและส่งแรงบิดได้สูงขึ้นโดยไม่เสียรูปทรง

3. ความแข็งแรงในการดัดฟันที่ดีขึ้น
   แกนกลางที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นช่วยดูดซับแรงกระแทก ลดความเสี่ยงต่อการแตกหักของฟัน

4. อายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าเมื่อเกิดความเหนื่อยล้า
   เฟืองที่ผ่านกระบวนการคาร์บูไรซ์สามารถใช้งานได้นานหลายหมื่นชั่วโมงในสภาวะการใช้งานหนัก

5. ลดแรงเสียดทานและการเกิดความร้อน
   การเข้ากันของฟันเฟืองที่ราบรื่นยิ่งขึ้นช่วยให้การส่งกำลังเงียบลงและประหยัดพลังงานมากขึ้น

เนื่องจากข้อดีเหล่านี้ การอบชุบด้วยความร้อนแบบคาร์บูไรซิ่งจึงกลายเป็นมาตรฐานสำหรับยานยนต์เกียร์ โดยเฉพาะสำหรับเฟืองดอกจอกได้แก่ เฟืองเกลียว เฟืองวงแหวน เฟืองดิฟเฟอเรนเชียล และเพลาส่งกำลัง

กระบวนการคาร์บูไรซิ่งทีละขั้นตอน

กระบวนการคาร์บูไรซิ่งที่สมบูรณ์ประกอบด้วยหลายขั้นตอน ซึ่งแต่ละขั้นตอนมีผลต่อประสิทธิภาพขั้นสุดท้าย:

1. การอุ่นก่อนและการออสเทนไนซ์

เฟืองจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิการอบชุบด้วยคาร์บอน ซึ่งเหล็กจะเปลี่ยนสภาพเป็นออสเทนไนต์ โครงสร้างนี้ทำให้คาร์บอนสามารถแพร่กระจายได้ง่าย

2. การแพร่กระจายของคาร์บอนและการก่อตัวของเคส

เฟืองจะถูกยึดไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีคาร์บอนสูง (ก๊าซ สุญญากาศ หรือสารเพิ่มความแข็งแบบแข็ง) อะตอมของคาร์บอนจะแพร่เข้าไปด้านใน ทำให้เกิดชั้นผิวที่แข็งตัวขึ้นหลังจากทำการชุบแข็ง

3. การชุบแข็ง

การทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วจะเปลี่ยนชั้นผิวที่มีคาร์บอนสูงให้กลายเป็นมาร์เทนไซต์ ซึ่งมีความแข็งมากและทนต่อการสึกหรอ

4. การอบชุบความร้อน

หลังจากชุบแข็งแล้ว จำเป็นต้องอบคืนตัวเพื่อลดความเปราะ เพิ่มความเหนียว และทำให้โครงสร้างจุลภาคมีเสถียรภาพ

5. การตกแต่ง/เจียรขั้นสุดท้าย

เฟืองที่ผ่านการอบชุบด้วยความร้อนมักจะได้รับการเจียรหรือขัดเงาขั้นสุดท้ายเพื่อให้ได้รูปทรงฟันเฟืองที่แม่นยำ รูปแบบการสัมผัสที่เรียบลื่น และการควบคุมเสียงรบกวนที่ดีที่สุด

ประเภทของการชุบแข็งผิวด้วยคาร์บอนสำหรับเฟือง

มีการพัฒนาเทคโนโลยีการอบชุบคาร์บอนหลายแบบ โดยแต่ละแบบมีข้อดีเฉพาะตัว

ในจำนวนนั้นการคาร์บอนไนซ์สุญญากาศเป็นที่นิยมมากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับเฟืองที่มีความแม่นยำสูง เนื่องจากมีการกระจายตัวของชั้นผิวที่สม่ำเสมอ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีการบิดเบี้ยวต่ำ

การเลือกวัสดุสำหรับกระบวนการคาร์บูไรซิ่ง

เหล็กทุกชนิดไม่เหมาะกับการอบชุบด้วยคาร์บอน วัสดุที่เหมาะสมคือเหล็กอัลลอยคาร์บอนต่ำที่มีคุณสมบัติในการชุบแข็งที่ดีและมีความเหนียวที่แกนกลางสูง

เหล็กกล้าคาร์บอนไนซ์ทั่วไป:

• 16MnCr5

• 20CrMnTi

• เหล็กกล้า 8620 / 4320

• 18CrNiMo7-6

• SCM415 / SCM420

เหล็กกล้าเหล่านี้ช่วยให้สามารถชุบแข็งผิวได้อย่างล้ำลึก ในขณะที่ยังคงรักษาแกนกลางที่แข็งแรงและยืดหยุ่น เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเฟืองที่ใช้งานหนัก

ปัจจัยคุณภาพในเฟืองคาร์บูไรซ์

เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่เสถียร จำเป็นต้องควบคุมปัจจัยสำคัญหลายประการ:

1. ความเข้มข้นของคาร์บอนบนพื้นผิว

2. ความลึกของคดีที่มีประสิทธิภาพ (ECD)

3. ระดับออสเทนไนต์คงเหลือ

4. การบิดเบี้ยวและความเสถียรของมิติ

5. ความแข็งสม่ำเสมอ (58–62 HRC บนพื้นผิว)

กระบวนการชุบแข็งด้วยคาร์บอนที่ควบคุมอย่างดี ช่วยให้เฟืองทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือเป็นเวลาหลายปีโดยต้องการการบำรุงรักษาเพียงเล็กน้อย

การใช้งานของเฟืองชุบแข็ง

การอบชุบด้วยคาร์บอน (Carburizing) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมที่ต้องการความน่าเชื่อถือ ความแม่นยำ และความทนทานต่อภาระหนัก:

• เกียร์และระบบเฟืองท้ายสำหรับยานยนต์

• รถแทรกเตอร์ อุปกรณ์เหมืองแร่ และอุปกรณ์หนัก

• อุปกรณ์หุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติ

• เกียร์ของกังหันลม

• ระบบขับเคลื่อนและระบบส่งกำลังกังหันสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

• ระบบขับเคลื่อนทางทะเล

ไม่ว่าเฟืองจะต้องทนต่อแรงกระแทก แรงกด และความเค้นจากการหมุนในระยะยาวอย่างไร การชุบแข็งด้วยคาร์บอนก็เป็นวิธีแก้ปัญหาที่น่าเชื่อถือที่สุด

การอบชุบด้วยความร้อนแบบคาร์บูไรซิ่งเปลี่ยนเฟืองเหล็กธรรมดาให้กลายเป็นชิ้นส่วนประสิทธิภาพสูงที่สามารถทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้ กระบวนการนี้ช่วยเสริมความแข็งแรงของพื้นผิวเพื่อป้องกันการสึกหรอและความล้า ในขณะที่ยังคงรักษาแกนกลางที่แข็งแกร่งเพื่อต้านทานแรงกระแทก เมื่อเครื่องจักรพัฒนาไปสู่ความหนาแน่นของกำลังและประสิทธิภาพที่สูงขึ้น เฟืองคาร์บูไรซิ่งจะยังคงเป็นเทคโนโลยีสำคัญในงานวิศวกรรมและระบบส่งกำลังสมัยใหม่ต่อไป